Индивидуальные солнечные установки

РАСЧЁТ ПАССИВНЫХ ГЕЛИОСИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ

При разработке технического задания и эскизном про­ектировании пассивной гелиосистемы отопления учитыва­ются самые общие ограничения, налагаемые на систему такими факторами, как географическое местоположение здания и его назначение, размеры здания, допустимая стоимость, располагаемые или необходимые материалы и т. п. Как правило, ведется эскизная проработка не­скольких вариантов гелиосистемы, которая заканчивает­ся выбором предпочтительного варианта. После этого ве­дется разработка детального проекта и принимаются решения относительно расположения, размеров комнат, ориентации здания, выбора материалов и уточнения всех размеров. В результате выполнения этой второй стадии проектирования получается вполне конкретная конструк­тивная разработка здания. Иногда на этой стадии раз­рабатываются конкурирующие варианты, например отли­чающиеся различными архитектурно-планировочными решениями или используемыми строительными материа­лами, с учетом экономических и теплотехнических фак­торов. Это та, стадия проектирования, на которой при­нимаются все основные архитектурные и инженерные решения. После этого выполняются рабочие чертежи со всеми необходимыми деталями — с указанием размеров, материалов, т. е. со всем, что требуется для осуществле­ния строительства здания с пассивной гелиосистемой.

Относительная площадь солнцеулавливающих поверх­ностей в различных климатических зонах может состав­лять 10—100 % площади отапливаемых помещений. При этом за счет использования солнечной энергии обеспечи­вается определенная доля / (от 10 до 80 %) тепловой на­грузки отопления и соответственно уменьшается расход теплоты от топливного источника. В случае же исполь­зования подвижной тепловой изоляции, закрывающей в ночное время лучепрозрачные поверхности, теплопотери здания значительно снижаются и эффективность гелио­системы возрастает в 1,5—2,5 раза. При расчете пассив­ных гелиосистем необходимо определить площадь свето­прозрачных поверхностей наружных ограждений здания, используемых для улавливания солнечной энергии, и мас­су теплоаккумулирующих элементов пола, стен, потолка. Как правило, эти элементы выполняются из бетона, но для аккумулирования теплоты могут также использо­ваться емкости, заполненные водой. При этом удельные масса и объем теплоаккумулирующих элементов, отне­сенные к 1 м2 площади остекленных поверхностей, ориен­тированных на юг, определяются в зависимости от доли / (%) солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки отопления как так=С/; уак=С0б/. Значения коэффици­ентов определяются видом теплоаккумулирующего эле­мента. Так, для емкости с водой С—3 кг/(% - м2) и С0с= =0,003 м3/(%-м2), для бетонной или каменной стены (пола) — соответственно 15 и 0,0075.

Следует отметить, что величина / практически соответ­ствует процентному снижению расхода теплоты от обыч­ного топливного источника. Так, например, если требует­ся снизить теплопотребление дома на 40 %, что соответ­ствует значению /=40%, необходимые удельные масса и объем водяного аккумулятора теплоты составят соот­ветственно 120 кг/м2 и 0,12 м3/м2, а бетонной стены (по­ла) 600 кг/м2 и 0,3 м3/м2. При /=104-80% удельный объем 1>ак, отнесенный к 1 м2 площади солнцеулавливаю­щих поверхностей южного фасада, равен для емкостей с водой 0,03—0,24 и для бетонной стены (пола) 0,08-- 0,6 м3/м2. ~ '

Рассмотрим пример оценки массы теплоаккумулирую­щих элементов дома жилой площадью 120 м2 при усло­вии, что требуется снизить теплопотребление за счет сол­нечной энергии на 60 % и что площадь светопрозрачных поверхностей, улавливающих солнечную энергию, равна 40 м2. Аккумулирование теплоты осуществляется в бетон­ном полу. В соответствии с приведенными выше данными необходимый удельный объем теплоаккумулирующего бе­тонного пола составит илк = С0^=0,0075-60 = 0,45 м3/м2, а всего требуется Уак=40-0,45=18 м3 бетона. Это озна­чает, что пол должен иметь толщину 0,45 м. Необходимым условием эффективного функционирования пассивной системы отопления является рациональное размещение теплоаккумулирующего элемента, обеспечивающее его облучение Солнцем в течение как минимум 4 ч в день. Для этого он должен быть размещен непосредственно вблизи остекления.

Как должно быть ориентировано здание с пассивным использованием солнечного излучения для отопления? Наилучшая ориентация здания — южная, однако допус­кается отклонение фасада здания до 30° к востоку или западу.

Системы прямого улавливания солнечной энергии.

В пассивных гелиосистемах этого типа (см. рис. 32, а) улавливается солнечное излучение, поступающее внутрь здания через остекленные поверхности окон в южной сте­не. Для наилучшего использования солнечной энергии окна южной ориентации должны иметь определенную площадь. Оптимальная величина удельной площади всех южных окон а0к, отнесенная к 1 м2 жилой площади дома, зависит от средней температуры наружного воздуха в зимний период (точнее, в декабре и январе) Т„ и от степени теплоизолированное™ дома:

Температура на­ружного возду­ха зимой Тв, °С Удельная площадь южных окон

Йон. М2/м2-.

В стандартном жилом доме в доме с улуч­шенной тепло­изоляцией .

TOC o "1-5" h z _ю —7—4—12 5 7

0,44 0,4 0,35 0,3 0,26 0,2 0,17

0,32 0,28 0,25 0,2 0,16 0,14 0,12

В некоторых зданиях предусмотрено остекление части крыши или южной стены чердака, сообщающейся с отап­ливаемыми помещениями.

Пример 1. Рассчитать площадь остекленной поверхности южного фасада дома площадью 100 м2, необходимую для обеспече­ния 50 % тепловой нагрузки отопления. Дом оснащен пассивной си­стемой прямого улавливания солнечной энергии, находится в Крыму, и его южный фасад не затеняется. Для данного местоположения до­ма при относительной площади остекления, приходящейся на 1 м2 жилой площади дома, равной 0,18 м2/м2, обеспечивается снижение теплопотребления на 18 % (без применения теплоизоляции окон в ночное время) и на 44 % (с применением тепловой изоляции), а при вок=0,36 м2/м2 —соответственно на 24 и 68%. Построив гра­фик линейной зависимости между аок и снижением теплопотребления (%), можно найти такое значение а0к, которое соответствует задан­ному значению (50 %) снижения теплопотребления. Получаем аа«— = 0,225 м2/м2 в случае использования тепловой изоляции в ночное время. Требуемая площадь остекления равна Аок — Оок^пол “ =0,225-100=22,5 м2.

Количество солнечной энергии, пропущенной через окно внутрь помещения за определенный промежуток времени (час, день), опре­деляется количеством солнечной энергии, поступающей на верти­кальную поверхность в данной местности с учетом ориентации и возможного затенения окна, а также его пропускательной способ­ностью. В табл. П2 приведены значения суточных количеств солнеч­ной энергии Е, поступающей на горизонтальную поверхноиь, и £Пр, пропущенной через окно в вертикальной стене различной ориентации в ясный день для 21 числа каждого месяца на широте 40—56° с.'ш. При этом величина Епр отнесена к 1 м2 площади окна.

С учетом теплопередачи через окно общее количество солнечной энергии (МДж/дн), пропущенной через одно за день, определяется по формуле

Фост = 1^пр ^зат К (^в ^н)1 ^ок>

Где £пр — количество пропущенной солнечной энергии, МДж/м2 в день; Кэат *— коэффициент затенения окон (табл. 6); К—коэффв-

Циент теплопередачи через окна, Вт/(м2-К); и и — температуры внутреннего и наружного воздуха, °С; Аак — площадь солнцеулавли­вающего остекления южной стены, м2.

Расчет количества солнечной энергии, проходящей через окна, за средний облачный день выполняется по формуле

<ЙЙ = *ЙЕ=«*лроп КтАт,

Где е — коэффициент, учитывающий ослабление плотности потока поступающей солнечной энергии в облачный день по сравнению с яс­ным днем (для ясного дня 6 = 1).

Пример 2. Рассчитать количество солнечной энергии, посту­пающей через южное окно с двойным остеклением площадью 8 м2 в средний облачный день 21 января в доме, расположенном на широ­те 48° с. ш.

Через одинарное остекление на южной стороне дома за ясный день 21 января на широте 48° с. ш. проходит 15,91 МДж/м2 в день. Коэффициент затенения берем из табл. 6, для двойного остекления без штор ^(аат = 0,87. Для среднего облачного дня принимаем е=0,§. Количество солнечной энергии, пропущенной окном с двойным остек­лением за средний облачный день, равно = 0,6-15,91-0,87-8=

= 66,44 МДж.

Расчет площади теплоаккумулирующей стены Тромба и примыкающей к зданию гелиотеплицы. Требуемая пло­щадь поверхности (м2) остекленной южной теплоаккуму­лирующей стены Тромба определяется по формуле АСт— =астЛПол. Аналогичная формула используется для оп­ределения площади остекленной поверхности пристроен­ной к южному фасаду здания гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада) '• Л теп — ЯтепЛпол-

Значения удельной площади стены Тромба аст и при­строенной к южной стене дома гелиотеплицы атеп, отне­сенные к 1 м2 площади отапливаемых помещений, зависят от средней для зимнего периода (точнее, для декабря и января) температуры наружного воздуха в местности, где расположен дом, и материала, в котором происходит ' аккумулирование теплоты. В обеих рассматриваемых пассивных гелиосистемах отопления аккумулирование теплоты может происходить в бетонной или каменной стене, расположенной на небольшом расстоянии от остек^ ления (стена Тромба) или отделяющей теплицу от дома, или в емкостях с водой, поставленных друг на друга та­ким образом, что они образуют сплошную стену. В т. абл. 7 приведены значения удельной площади поверхности ос­текления стены Тромба аст и примыкающей к южной сте­не дома гелиотеплицы (оранжереи, зимнего сада) в зави - - симости от температуры наружного воздуха зимой Тв и способа аккумулирования теплоты. Толщина теплоак­кумулирующей стены зависит от вида строительного ма­териала, из которого она сделана. Так, каменная стена

Т а блица 7. Удельная площадь остекления стены Тромба аСт и гелиотеплицы атеш, отнесенная к 1 м2 площади отапливаемых помещений дома (м2/м2)

Должна иметь толщину от 200 до 300 мм, кирпичная — от 250 до 350 мм, а бетонная — от 300 до 450 мм. Стена, составленная из емкостей с водой, должна иметь толщину не менее 150 мм. Суточные колебания температуры воз­духа внутри помещений с увеличением толщины стены уменьшаются. Так, при использовании бетонной стены температура воздуха колеблется в пределах ±7 °С при толщине стены 200 мм, ±4 °С при толщине 300 мм, ±2,5 °С при толщине 500 мм и ± 1 °С при толщине 600 мм. Скорость распространения теплоты в стене определяется отношением коэффициента теплопроводности материала к его объемной теплоемкости: она тем выше, чем больше это отношение. При этом стена может иметь большую толщину.

Пример 3. Определить площадь стены Тромба, необходимую для покрытия за счет солнечной энергии 50 % тепловой нагрузки отопления помещения площадью 40 м2 при средней температуре на­ружного воздуха в зимние месяцы 0—2 °С.

По табл. 7 находим среднее значение аст=0,475 м2/м2 при Тв= =2°С. Для покрытия всей тепловой нагрузки требуется бетонная стена Тромба площадью ЛСт=аоИпол = 0,475-40= 19 м2. Для обеспе­чения 50 % тепловой нагрузки отопления необходимо иметь бетонную стену площадью 9,5 м2. При этом температура воздуха в помещениях будет поддерживаться на уровне 18 °С при условии, что остальные 50 % тепловой нагрузки будут покрываться топливным источником.

Пример 4. Определить требуемую площадь поверхности остекления пристроенной к южному фасаду здания гелиотеплицы при следующих условиях: средняя температура наружного воздуха в зимние месяцы равна 0°С, площадь отапливаемых помещений 120 м2, доля покрытия тепловой нагрузки за счет солнечной энергии равна 0,6.

Принимаем по табл. 7 для бетонной стены при 0°С атеп=0,83. С учетом заданной доли солнечной энергии в обеспечении тепловой нагрузки получаем требуемую площадь южной поверхности остекле­ния гелиотеплицы: Лтеп=0,83-0,6-120=59,76 м2.

Масса теплоаккумулирующих элементов и их разме­щение в здании. Поступающая через светопрозрачные по­верхности остекления солнечная радиация поглощается частью внутренних поверхностей отапливаемых помеще­ний здания или отражается ими на другие внутренние поверхности. Энергия, поглощенная поверхностью, пере­дается внутрь материала путем теплопроводности. Увели­чение температуры теплоаккумулирующих элементов, вызываемое поглощением солнечной энергии, может быть приближенно определено ПО формуле Д/ = Quota/(VC'), где Qnoi-л — количество поглощенной энергии, Дж; V — объем теплоаккумулирующего элемента, м3; С' — удель­ная объемная теплоемкость материала, Дж/(м3-°С).

Поглощательная способность поверхности зависит от материала, из которого она сделана, и ее цвета. При па­дении солнечных лучей по нормали к поверхности погло­щательная способность ос различных материалов имеет следующие значения: для бетона — 0,6, красного кирпи­ча— 0,68, гранита — 0,55, песчаника — 0,54, черепицы — 0,69, древесины (сосны) — 0,6. Поглощательная способ­ность а зависит также от цвета поверхности: для бело­го— 0,18, желтого — 0,33, темно-красного — 0,57, коричневого — 0,79, серого — 0,75, черного (матового) — 0,96, светло-зеленого — 0,5, темно-зеленого — 0,88.

Эффективность пассивных гелиосистем отопления зда­ний существенно зависит от массы теплоаккумулирую­щих элементов и их размещения в здании. Увеличение суммарной теплоемкости солнцеулавливающих теплоак­кумулирующих элементов, отнесенной к 1 м2 площади остекленных поверхностей здания, повышает эффектив­ность пассивной гелиосистемы прямого улавливания сол­нечной энергии до определенного предела. При С== 175-4- -^225 Вт. ч/(м2*°С) график зависимости эффективности системы от общей теплоемкости стремится к горизон­тальной линии, т. е. достигается максимальная эффектив­ность. Поэтому минимальная масса теплоаккумулирую­щих элементов соответствует значению суммарной тепло­емкости С, отнесенной к 1 м2 площади остекленных по­верхностей, пропускающих солнечную энергию внутрь здания, равному 175 Вт-ч/(м2-°С). При больших значе­ниях массы теплоаккумулирующих элементов вся или почти вся уловленная солнечная энергия полезно исполь­зуется, поглощаясь теплоаккумулирующими элементами, и не происходит перегрева здания, а суточные изменения температуры воздуха внутри помещений будут небольши­ми. Верхний предел массы всех теплоаккумулирующих элементов определяется технико-экономическим расче­том.

Пример 5. Рассчитать требуемый суммарный объем теплоак­кумулирующих элементов из бетона [Сб=522 Вт-ч/(м3-°С)] и в ви­де емкостей с водой [Св=1163 Вт-ч/(м3-°С)] при их суммарной теп­лоемкости, отнесеннной кім1 солнцеулавливающей остекленной поверхности, равной С=200 Вт-ч/(м2-°С) для дома с площадью остекления южного фасада Лост=40м?. Объем теплоаккумулирую­щих элементов из бетона равен 1,в=СЛОст/Сб=200-40/522=15,33 м», из емкостей с водой ив=С/400т/С’ = 200-40/1163 = 6,88 м3. Теплоакку­мулирующие элементы следует размещать таким образом, чтобы они могли непосредственно получать солнечное излучение или поглощать излучение, отраженное другими поверхностями интерьера. Наилуч­шим твердым теплоаккумулирующим материалом является бетон, затем следуют кирпич, дуб, сосна, гипс (сухая штукатурка). Тепло­аккумулирующие элементы могут служить ограждениями здания, т. е. его стенами, полом или потолком. При этом наружная поверх­ность этих элементов должна быть теплоизолирована. Если толщина теплоаккумулирующего элемента равна 50 мм, то требуемая пло­щадь поверхности элемента, отнесенная с 1 м2 светопрозрачного ограждении (остекления южного фасада), составит для бетона 7 м2, кирпича 8 м2, дуба 11 м2, сосны 13 м2 и гипса 21 м2. При толщине бетона 100 мм достаточно 5 м2, а при толщине 200 мм—3 м2. Эти данные относятся к элементам, непосредственно поглощающим сол­нечное излучение, т. е. они должны быть размещены так, чтобы сол­нечное излучение попадало на них в течение не менее 4 ч в день. В случае, когда теплоаккумулирующие элементы (потолок, стены) расположены так, что на них не попадает прямое солнечное излуче­ние, и они нагреваются за счет отраженного солнечного излучения и излучения внутренних поверхностей или конвективного теплооб­мена с воздухом, толщина материала или площадь поверхности теп­лоаккумулирующего элемента, отнесенная к 1 м2 площади остекле­ния южного фасада, должна быть приблизительно в 2 раза больше, чем в первом случае.

Третий вариант размещения теплоаккумулирующих элементов соответствует случаю, когда они не являются частями ограждений и строительных конструкций, а установлены внутри помещений, отап­ливаемых за счет прямого поступления солнечного излучения. Это могут быть емкости с водой или элементы, выполненные из строи­тельных материалов. При этом относительная площадь освещенной солнечным излучением поверхности элемента, приходящаяся на 1 ма площади остекления, составляет 2 м2 для элемента из кирпича (тол­щиной 200 мм) или бетона (толщиной 150 мм), а емкости с водой должны иметь объем не менее 0,3 м3 на 1 м2 остекления.

Суммарная теплоемкость (Вт-ч/°С) теплоаккумулирующих эле­ментов помещения составляет

^■ак — ^ост С і,

Где Лост — площадь остекления (солнцеулавливающей прозрачной

Изоляции), м2; С1 — теплоемкость теплоаккумулирующего элемента, отнесенная к 1 м2 площади остекления, Вт-ч/(м2-°С).

Требуемый объем теплоаккумулирующих элементов 1/ак = Сак/С', где С' — удельная объемная теплоемкость теплоаккумулирующего материала, Вт-ч/(м3-°С).

Пример 6. Определить требуемый объем теплоаккумулирую­щих бетонных элементов для помещения площадью 100 м2, имеюще­го южные окна суммарной площадью 25 м2, при минимально допусти­мой удельной теплоемкости 200 Вт-ч/(м2-°С).

Общая теплоемкость теплоаккумулирующих элементов Сан= =ЛостС1=25-200=5-Ю3 Вт-ч/°С.

Требуемый минимальный объем теплоаккумулирующих элемен­тов нз бетона Уак=Сак/Сб =5-108/522 = 9,6 м3.

Распределение этого объема теплоаккумулирующего материала может быть выполнено, если на основе плана и разреза помещения по азимуту и углу высоты Солнца определить площади пола и сте­ны, освещаемые Солнцем в течение не менее 4 ч в день в зимний период. При заданной толщине теплоаккумулирующих элементов и выбранном материале можно определить площади поверхностей освещаемых и не освещаемых геплоаккумулирующих элементов.

Пример 7. По данным предыдущего примера выполнить рас­пределение массы теплоаккумулирующих бетонных элементов стен, пола и отдельно стоящих колонн. Принять, что масса распределяется между указанными элементами в соотношении 3:2: 1. Суммарный объем теплоаккумулирующих бетонных элементов составляет 9,6 мэ, а объем теплоаккумулирующих стен, пола и колонн равен соответст-' венно 4,8; 3,2 и 1,6 м3.

Как правило, в доме с пассивным солнечным отоплением одно­временно используется несколько тшюв систем, например пристроен­ная к южному фасаду здания гелиотеплица (оранжерея, зимний сад), южная остекленная теплоаккумулирующая стена и солнцеулавлива­ющие окна южной ориентации.